Weniger bedeutet nicht schlimmer: Skyrmionen und Domänenwände in Ferromagneten

Sie haben wahrscheinlich mehr als einmal gehört, dass jemand den größten Kuchen der Welt oder die größte Pizza oder den größten Burger gemacht hat. Diese Platten sind lustig, manchmal sehr lustig und im Fall der oben genannten Optionen auch lecker. Aber sie sind nicht nützlich. Die wissenschaftliche Welt stellt auch gerne Rekorde in der Größe von etwas auf, ist aber in letzter Zeit diametral entgegengesetzt. Forscher aus aller Welt versuchen, die kleinsten Objekte zum Wohle der Menschheit und Technologie einzusetzen. Heute werden wir über die Aussicht sprechen, Domänenwände und Skyrmionen in einem Ferrimagneten zum Speichern und Übertragen von Informationen zu verwenden. Zu sagen, dass diese "Träger" klein sind, ist stark übertrieben. Was und wie funktioniert es, wie sehen die Aussichten für diese Studie aus und warum genau Ferrimagnete? Wir werden im Bericht der Forschungsgruppe nach Antworten suchen. Lass uns gehen.

Die theoretische Grundlage der Studie

Zunächst ist anzumerken, dass die meisten Studien, die auf die eine oder andere Weise auf Magnetismus und seinen Aspekten beruhen, meistens einen Ferromagneten anstelle eines Ferrimagneten verwenden. Ein Buchstabe in einem Wort ändert nicht nur den Namen, sondern die gesamte Essenz.

Ein Ferromagnet ist das, was wir am häufigsten beobachten. Wenn Sie aus Ihrem letzten Urlaub einen Magneten an Ihrem Kühlschrank hängen haben, sollten Sie wissen, dass er aufgrund von Ferromagnetismus vorhanden ist. Ein Ferromagnet ist eine Substanz, die ohne Verwendung eines externen Magnetfelds und bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punkts magnetisiert wird. Wenn wir über Raumtemperatur sprechen, dann haben 4 Substanzen ferromagnetische Eigenschaften: Nickel (Ni), Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Ruthenium (Ru) .


Neodym-Magnete (Seltenerd-Neodym + Eisen + Bor) gegen ein Smartphone. Menschen mit Nomophobie, bitte nicht zuschauen.

Sobald wir den Buchstaben "o" in "und" ändern, erhalten wir eine völlig neue Art von Substanz. Ferrimagnete sind den Ferromagneten ihrer Brüder etwas ähnlich, zumindest gelten beide magnetischen Eigenschaften für beide, und beide „arbeiten“ bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts. Der wichtigste Unterschied ist die Tatsache, dass bei Ferrimagneten die magnetischen Momente der Atome der Untergitter antiparallel sind. Warum so? In der Tat sind Ferrimagnete ein Cocktail aus mehreren chemischen Elementen und nicht eines wie bei Ferromagneten. Aus diesem Grund bestehen sie aus mehreren Untergittern, deren Struktur sich entweder in der Anzahl der Atome oder in ihrer Herkunft unterscheidet (verschiedene chemische Elemente). Die Hauptbesitzer ferrimagnetischer Merkmale sind Ferrite, die auf Eisenoxid (Fe ₂ O ₃ ) basieren.


Vergleich der Richtung der magnetischen Momente eines Ferromagneten ( a ) und eines Ferrimagneten ( b ).

Und jetzt schauen wir uns das genauer an und versuchen zu verstehen, was diese Domänenwände sind.

Eine Domänenwand ist also buchstäblich eine Wand zwischen zwei magnetischen Domänen, einer Art Merkmal oder Grenzpunkt. In Fortsetzung der letzten Analogie stehen sich diese magnetischen Domänen wie Nord- und Südkorea gegenüber. Genauer gesagt haben sie unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen.


Magnetische Domänen: Schwarze und weiße Bereiche unterscheiden sich in der Richtung der Vektoren ihrer magnetischen Momente.

Die Domäne ist, wenn sie nicht vertieft ist, Teil eines magnetischen Kristalls, eines mikroskopischen Bereichs, in dem die Magnetisierungsvektoren in Bezug auf die Vektoren im benachbarten Bereich streng geordnet sind.

Um es nicht noch einmal zu wiederholen, finden Sie in einem der vorherigen Artikel eine Erklärung, was ein magnetisches Skyrmion ist. Ich werde nur kurz sagen, dass dies eine Art Trichter von Atomspins ist, die nach dem Physiker Tony Skyrme benannt sind.


Bild a - Skyrmion "Igel", b - Spiral Skyrmion.

Wir haben die Theorie ein wenig herausgefunden, jetzt wollen wir sehen, was unsere Helden von all dem geblendet haben.

Die Essenz der Studie

Oben haben wir Ferromagnete und Ferrimagnete sowie deren Unterschiede aus einem bestimmten Grund untersucht. Die Forscher glauben, dass Ferromagnete zwar überraschend nützliche Eigenschaften und Eigenschaften aufweisen, jedoch in Geschwindigkeit und Größe begrenzt sind. Genauer gesagt können sie zur langsameren Datenübertragung verwendet werden, und jedes Bit ist „größer“ als bei Verwendung von Ferrimagneten. Es klingt sehr vielversprechend, erfordert aber Beweise. Was Wissenschaftler in dieser Studie getan haben.

Die materielle Basis des Experiments war die Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx-Verbindung, genauer gesagt ein dünner Film daraus.


Bild Nr. 1

Zunächst beschlossen die Forscher, die Statik und Dynamik der Spinstruktur von Gd ₄₄ Co ₅₆ (Bild 1a ) zu untersuchen, einer amorphen ferrimagnetischen Legierung. Die antiferromagnetisch gekoppelten Untergitter dieser Legierung haben einen ähnlichen g-Faktor, daher liegt TA (Drehimpulskompensationstemperatur) sehr nahe an TM (Magnetisierungskompensationstemperatur).

Wie wir bereits wissen, war der Protagonist der Experimente Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx. Die Filmdicke jeder Komponente war wie folgt: Ta - 1 nm; Pt - 6 nm; Gd ₄₄ Co ₅₆ - 6 nm; TaOx - 3 nm. Alle Filme wurden senkrecht magnetisiert und durch Sputtern auf einem Si / SiO ₂ -Substrat abgeschieden.

Die untere Schicht (Pt) war die Hauptquelle für Spin-Orbit-Wirbel (im Folgenden als SOW bezeichnet ) und erzeugte ständig eine starke Dzyaloshinsky-Morii-Wechselwirkung (im Folgenden: VDM ), die für schwache Manifestationen des Ferromagnetismus in antiferromagnetischen Dielektrika verantwortlich ist. Die obere Schicht (TaOx) schützt.

In der Grafik 1b sind in Abhängigkeit von der Temperatur zwei Indikatoren dargestellt: die Koerzitivkraft (Quadrate), die für die vollständige Entmagnetisierung eines Ferrimagneten (oder Ferromagneten) erforderlich ist, und die magnetische Sättigung (Kreise). Der erste Indikator wurde durch das Verfahren der Schwingungsmagnetometrie und der zweite durch das Verfahren der Polarimetrie des magnetooptischen Kerr-Effekts erhalten.

Dank der erhaltenen Daten ( 1s und 1d ) wurde gefunden, dass TM ungefähr 240 K (Kelvin) beträgt, da eine Hysterese des magnetooptischen Kerr-Effekts beobachtet wird.

Durch Weitfeld-Kerr-Mikroskopie wurden Untersuchungen zur Bewegung der Domänenwand durchgeführt. 1 zeigt mehrere Bilder, wenn Nanosekundenstromimpulse an eine Domänenwand angelegt wurden, wodurch diese gezwungen wurde, sich entlang einer bestimmten Route zu bewegen.

Jede der Wände, oben-unten und unten-oben (die Richtung der Magnetisierungsvektoren), bewegte sich entlang des Strompfades, wo auch Neel- Domänenwände * vorhanden waren, die durch Wirbel im Spin-Orbit gesteuert wurden.


Vergleich der Neelwand ( a ) und der Blochwand ( b ).

Neyelwand * - Die Magnetisierung in dieser Art von Wand dreht sich senkrecht dazu und nicht in ihrer Ebene.

Grafik 1f ist das Verhältnis der Geschwindigkeit der Domänenwand (vDW) und der Temperatur (T). Ein signifikanter Peak wird genau bei 260 K beobachtet, was höher ist als das zuvor etablierte TM.

Es ist zu beachten, dass die Diskrepanzen zwischen den Feldern SOW und VDM nicht der Hauptgrund für die Erhöhung der Geschwindigkeit der Domänenwand sind.


Bild Nr. 2a

Abbildung 2a zeigt eine Analyse des Einflusses von Feld und Strom auf die Geschwindigkeit einer Domänenwand anhand eines Kriechdiagramms. Und wir sehen, dass in beiden Fällen das Ergebnis identisch ist.

Skyrmionen von Ferrimagneten

Es ist erwähnenswert, dass Ferrimagnete aufgrund ihres schwachen Entmagnetisierungsfeldes viel kleinere Skyrmionen als Ferromagnete haben können. Darüber hinaus existieren diese Skyrmionen bei Raumtemperatur. Bisher lagen die Größen solcher Skyrmionen bei kryogenen Temperaturen im Bereich von 30 nm - 2 μm. Die großen Größen von Skyrmionen erklären sich durch die starke Dipolwechselwirkung in Mehrschichtstrukturen, die üblicherweise aus Schwermetallen und Ferromagneten bestehen.


Vergleich von Skyrmionen.

Bild a zeigt den oben beschriebenen Fall (ferromagnetische Mehrschichtstruktur), bei dem eine direkte Abhängigkeit der Skyrmion-Energie (E) von ihrem Radius ® besteht. Im Fall von Ferrimagneten kann die Schicht viel dünner gemacht werden, und es besteht keine Notwendigkeit, die Stärke des Entmagnetisierungsfeldes zu erhöhen (Bild b ). Die Forscher berechneten auch mittels NMR in einem Nullfeld * das Verhältnis der Größen des Skyrmions und des Zustands des VDM (Grafik c ).

Nullfeld-NMR * - Nullfeld- Kernspinresonanz, mit der magnetisch geordnete Substanzen genauer analysiert werden, um Änderungen ihrer Kristall- oder Magnetstrukturen zu bestimmen.

Die Analyse zeigte, dass das Entmagnetisierungsfeld das VDM-Skyrmion destabilisieren kann, wenn die reale Temperatur sehr weit von der zuvor eingestellten Magnetisierungskompensationstemperatur (TM) entfernt ist. In diesem Fall können VDM-Skyrmionen bei magnetischer Sättigung (Ms) in der Größenordnung von 150 kA / m ^–1 lange stabil bleiben. Und dies entspricht viel höheren (etwa 100 K höheren TM) Temperaturen als bei mehrschichtigen Ferromagneten.


Gefangene Skyrmionen.

Diese Schlussfolgerungen sind das Ergebnis von Berechnungen und Simulationen, wurden jedoch durch Röntgenholographie bei Raumtemperatur der Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx-Probe vollständig bestätigt.


Röntgenholographiebilder von Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.

Wie aus den Bildern ersichtlich ist, wurden in verschiedenen Teilen der Probe ziemlich viele Skyrmionen gefunden. Wissenschaftler stellen auch fest, dass keine Anzeichen einer Korrelation zwischen der Position der Skyrmionen vor der Sättigung und der erneuten Keimbildung gefunden wurden. In Bild 5d markieren beispielsweise farbige Quadrate die Stellen, an denen keine Skyrmionen vorhanden sind, die jedoch früher vorhanden waren (Bilder 5a und 5b ). In diesem Fall verschwinden alle Skyrmionen, wenn die Magnetfeldstärke 450 mT (Millitesla) erreicht.

Die Größe der Skyrmionen betrug durchschnittlich 23 nm ( 5 g ). Das kleinste Skyrmion hatte einen Durchmesser von ungefähr 10 nm. Dies ist wichtig, da diese Größe viel kleiner ist als die, die für Skyrmionen in Ferromagneten bei Raumtemperatur beobachtet wird. Wissenschaftler erklären die Heterogenität der Größe von Skyrmionen durch die Anisotropie der Struktur der Probe, dh das Vorhandensein von Unterschieden in den Eigenschaften innerhalb einer einzelnen Struktur.

Es ist auch zu berücksichtigen, dass die Größe der Skyrmionen in den Bildern durch die größte Kontur der dunklen Bereiche bestimmt wurde. In der Tat sind Skyrmionen noch kleiner.

Wenn Sie sich näher mit der Studie vertraut machen möchten, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Die Forscher konnten zeigen, dass Ferromagnete trotz ihrer Vorteile nicht lange Monopolisten bleiben können. Ferrimagnete können ebenfalls hervorragende Ergebnisse zeigen. In diesem Fall war es möglich, eine Verschiebung der Domänenwand mit einer Geschwindigkeit von 1 km / s zu erreichen, und die Mindestgröße des Skyrmions betrug nicht mehr als 10 nm im Durchmesser. Und vor allem - das alles bei Raumtemperatur. Letzteres ist besonders attraktiv für den praktischen Einsatz. Viele Entwicklungen in der Forschungsphase zeigen nur unter bestimmten Bedingungen (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit, verschiedene elektromagnetische Felder und Strahlung usw.) gute Ergebnisse, die nur im Labor nachgebildet werden können.

Wissenschaftler glauben, dass Ferrimagnete die Basis für zukünftige spintronische Geräte werden können. Gleichzeitig können ihre Eigenschaften gesteuert, geändert und an die Anforderungen eines bestimmten Geräts oder Prozesses angepasst werden. Darüber hinaus wird es möglich sein, antiferromagnetische Spinsysteme zu realisieren, bei denen der magnetische Zustand dennoch leicht durch optische oder elektrische Verfahren erfasst werden kann.

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